Tm--BYF 被動(dòng)調(diào) Q 脈沖激光特性研究.doc

精品論文tm:byf 被動(dòng)調(diào) q 脈沖激光特性研究趙永光，于浩海（山東大學(xué)晶體材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）5摘要：本文報(bào)道了利用 cr2+:zns 作為可飽和吸收體，用摻雜濃度 8 at.%的 z 切 tm:byf（tm3+:bay2f8）晶體作為激光增益材料實(shí)現(xiàn)了 1918.6 nm 被動(dòng)調(diào) q 脈沖激光運(yùn)轉(zhuǎn)。最大 平均輸出功率是 207 mw, 在重復(fù)頻率是 543hz 時(shí)得到的最大脈沖能量是 382 mj，最短脈寬是 28.6 ns，對(duì)應(yīng)的最大峰值功率是 13.3 kw。10關(guān)鍵詞：被動(dòng)調(diào) q；tm:byf 晶體；脈沖激光中圖分類號(hào)：o734+.3passively q-switched tm:byf pulse laserzhao yongguang, yu haohai15(state key lab.of crystal materials, shandong university)abstract: using cr2+:zns as saturable absorber, z-cut tm:byf (8 at.%, tm3+:bay2f8) as laser gain material, passively q-switched pulse laser at 1918.6 nm is demonstrated. the maximum average output power is 207 mw, the maximum pulse energy, the shortest pulse width and thelargest peak power are 382 mj, 28.6 ns and 13.3 kw, respectively, at the pulse repeat rate of 54320hz.key words: passive q-switching; tm:byf crystal; pulse laser0引言由于在強(qiáng)場(chǎng)物理、環(huán)境監(jiān)測(cè)、激光雷達(dá)、光電干擾、遙感、光通訊以及光學(xué)醫(yī)療等領(lǐng)域25的廣泛應(yīng)用，2mm 波段的激光越來(lái)越受到科學(xué)研究的重視。作為一種激光激活離子，tm3+ 離子的 3f43h6 能級(jí)躍遷能夠輻射出 1.82.1mm 的激光。因此銩摻雜各種晶體的生長(zhǎng)、光譜 和激光性能得到越來(lái)越多研究者的青睞。如今作為 35mm 波段光學(xué)參量振蕩器的理想泵浦 源1，短脈沖摻銩激光器更是引起人們的興趣。運(yùn)用主動(dòng)調(diào) q 技術(shù)，脈沖泵浦摻銩晶體， 單脈沖能量能夠到達(dá) 10 mj2。但是由于主動(dòng)調(diào) q 技術(shù)會(huì)用到聲光調(diào)制器或者電光調(diào)制器，30這樣就使的腔結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，并不是光學(xué)參量振蕩理想的泵浦方式。相比主動(dòng)調(diào) q 技術(shù)， 被動(dòng)調(diào) q 技術(shù)只用到一個(gè)簡(jiǎn)單的可飽和吸收體，使得腔的結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單，從而更加適合作 為光學(xué)參量振蕩的泵浦源。在過(guò)去幾年的研究中，摻 tm 的 ky(wo4)2, klu(wo4)2, yag 和 yap 激光晶體已經(jīng)被廣泛的研究。其中用 tm:yag 作為激光晶體，用 cr2+:znse 作為可飽 和吸收體可以使得到 400mj 的脈沖能量，但是由于脈沖寬度比較大約為 300 ns，最終導(dǎo)致峰35值功率比較低僅為 1kw3。最近，用 pbs 量子阱結(jié)構(gòu)的飽和吸收體對(duì) tm:ky(wo4)2 激光晶 體進(jìn)行調(diào)制，得到了僅為 8ns 的脈沖，然而這種激光器輸出的脈沖能量?jī)H為 30mj，因此得 到的峰值功率還是很低(4kw)4。最近我們用 cr2+:znse 作為可飽和吸收體，用 tm:ylf 作為激光晶體得到了脈沖能量為 1.26mj，峰值功率為 166kw 的調(diào) q 脈沖激光5，這是目前 為止得到的最好結(jié)果。40 本文我們采用文獻(xiàn)之前相同的實(shí)驗(yàn)構(gòu)造，對(duì) tm:byf 的被動(dòng)調(diào) q 激光特性進(jìn)行了研究?；痦?xiàng)目：高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助課題（新教師基金）（20090131120033） 作者簡(jiǎn)介：趙永光，1987 年出生，男，博士研究生，主要研究方向全固態(tài)激光器 通信聯(lián)系人：于浩海，1981 年 10 月出生，男，副教授，主要研究方向：晶體生長(zhǎng)，晶體物理，量子光學(xué). e-mail:- 4 -在吸收泵浦功率為 1.58w 時(shí)，得到的最大平均輸出功率是 207 mw, 對(duì)應(yīng)的斜效率為 19.7%。在重復(fù)頻率是 543hz 時(shí)得到的最大脈沖能量是 382 mj，最短脈寬是 28.6 ns，對(duì)應(yīng)的最大峰 值功率是 13.3 kw。1實(shí)驗(yàn)裝置45在本實(shí)驗(yàn)中采用的是 l 型半球面諧振腔，如圖 1 所示。所用的激光二極管光纖耦合系統(tǒng) 的中心發(fā)射波長(zhǎng)是 792 nm，數(shù)值孔徑 na=0.22，纖芯直徑為 200mm。輸入鏡 m1 是一個(gè)平面 鏡，鏡面鍍以對(duì)泵浦光高透，對(duì)振蕩光 1919nm 高反的光學(xué)介質(zhì)膜。m2 斜 45放置，其表面 鍍以對(duì) 1918.6nm 高反的介質(zhì)膜。輸出鏡 m3 為凹面鏡，曲率半徑是 r=75 mm。本實(shí)驗(yàn)中我們 選用的 m3 的透過(guò)率為 20%。m1 和 m2 之間的距離 l1 為 40 mm；m2 與 m3 之間的距離 l2 為 3250mm。所用的激光晶體 tm3+:bay f 中 tm 的摻雜濃度為 8%，晶體尺寸為 332.5 mm3。為了降2 8低激光產(chǎn)生過(guò)程中的熱效應(yīng)，在激光實(shí)驗(yàn)過(guò)程中晶體水冷，水溫控制在 17 c。實(shí)驗(yàn)中所用 的 cr:zns 可飽和吸收體的初始透過(guò)率為 92%，其尺寸為 mm3。圖 1 tm:byf 被動(dòng)調(diào) q 激光器示意圖55fig. 1 schematic of tm:byf passively q-switched laser2實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及討論用初始透過(guò)率為 92%的 cr:zns 作為可飽和吸收體，采用發(fā)射波長(zhǎng)為 792 nm 的激光二極 管作為泵浦源對(duì) tm:byf 晶體進(jìn)行泵浦。當(dāng)輸出耦合透過(guò)率是 20%時(shí)，被動(dòng)調(diào) q 的平均輸出60功率隨著吸收泵浦功率的變化曲線如圖 2 所示。從圖中可以看出，被動(dòng)調(diào) q 的激光閾值是0.58w。當(dāng)吸收泵浦功率是 1.58w 時(shí)，得到的最大平均輸出功率是 207 mw。對(duì)應(yīng)的激光斜效 率為 19.7%。當(dāng)我們用初始透過(guò)率較低的 cr:zns 作為飽和吸收體時(shí)，很難看到有激光產(chǎn)生， 即使偶爾會(huì)產(chǎn)生激光，經(jīng)過(guò)一會(huì)就會(huì)消失掉，并且我們發(fā)現(xiàn)飽和吸收體上有損壞的跡象。針 對(duì)上述現(xiàn)象，我們的解釋是：低初始透過(guò)率的飽和吸收體可以獲得更高的脈沖能量，更短的65脈沖寬度，從而導(dǎo)致產(chǎn)生的峰值功率很高，高的峰值功率很容易把飽和吸收體打壞，飽和吸 收體被打壞激光不在輸出，所以激光會(huì)過(guò)一會(huì)消失掉。圖 2 平均輸出功率隨吸收泵浦功率的變化fig. 2 average output power versus the absorbed pump power70圖 3 是被動(dòng)調(diào) q 的重復(fù)頻率、脈沖寬度、脈沖能量和峰值功率隨吸收泵浦功率的變化曲線圖，從圖中可以看出隨著吸收泵浦功率的增加，調(diào) q 激光的重復(fù)平率逐漸增加。當(dāng)吸收泵 浦功率增加到 1.58w 時(shí)，脈沖激光的重復(fù)平率增加到 543hz。相對(duì)重復(fù)平率而言，脈沖寬度 和脈沖能量隨吸收泵浦功率的變化不是很大，其中脈沖寬度從 38 ns 減小到 28.6ns，而脈75沖能量則從 315mj 增加到 381mj。正是由于脈沖能量和脈沖寬度的變化不大，得到的峰值 功率隨著吸收泵浦功率的變化趨勢(shì)也比較平坦。在我們實(shí)驗(yàn)中得到的最大峰值功率為13.3kw。我們用示波器觀察了調(diào) q 激光的脈沖序列和單個(gè)脈沖的輪廓圖。正如圖 4 所示，它 記錄了脈沖寬度為 28.6ns 時(shí)的單脈沖輪廓圖以及此時(shí)的脈沖序列。80圖 3 重復(fù)頻率、脈沖寬度、脈沖能量和峰值功率隨吸收泵浦功率的變化fig. 3 pulse repeat rate, pulse width, pulse energy and pulse peak power versus the absorbed pump power1,00,81,00,80,6intensity (a.u.)0,40,2time=1.84 ms0,60,0-25-20-15-10 -5 0 5 10 15 20 250,4intensity (a.u.)0,20,0time (ms)28.6 ns853結(jié)論-200-150-100 -50050 100 150 200width (ns)圖 4 單個(gè)脈沖的輪廓圖，插圖：調(diào) q 脈沖的序列圖fig. 4 the profile of the single pulse, inset: the pulse train of the q-switched laser我們利用光線耦合的激光二極管對(duì)摻雜濃度為 8 at.%的 tm:byf 晶體進(jìn)行抽運(yùn)，用 cr2+:zns 作為可飽和吸收體實(shí)現(xiàn)了輸出波長(zhǎng)為 1918.6 nm 的被動(dòng)調(diào) q 脈沖激光輸出。當(dāng)吸收 泵浦功率為 1.58w 時(shí)，得到的最大平均輸出功率是 207mw，此時(shí)的脈沖能量、脈沖寬度和峰值功率分別為 382 mj、 28.6 ns 和 13.3 kw。90參考文獻(xiàn) (references)951001 bourdet g l, escroart g l. theoretical modeling and design of a tm,ho:ylif4 microchip laser j. appl opt, 1999, 38: 3275-3281.2 m. eichhorn, quasi-three-level solid-state lasers in the near and mid infrared based on trivalent rare earth ionsj. appl. phys. b, 2008 93(2-3): 269-316.3 m. mond. heumann, g. huber, s. kuck, et al. in proceedings of conference on lasers andelec-tro-optics europe 2003 (ieee, 2003), paper ca7-5-wed (cd rom).4 m. s. gaponenko, a. a. onushchenko, v. e. kisel, et al. compact passively q-switched diode-pumped tm:ky(wo4)2 laser with 8